JPH09136416A

JPH09136416A - インクジェット記録ヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JPH09136416A
Application number: JP29676395A
Authority: JP
Inventors: Osamu Watanabe; 修渡辺; Hirobumi Kama; 博文釜
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-11-15
Filing date: 1995-11-15
Publication date: 1997-05-27

Abstract

(57)【要約】【課題】インクジェット記録装置に用いるインクジェ
ット記録ヘッドにおいて、撥水特性および耐久性に優れ
た撥水層を均一に形成し得る処理方法を提供し、それに
より、オリフィス近傍のインクの付着を防ぎ、長期的に
良好な印字品質を維持し得るインクジェット記録ヘッド
及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】ノズルプレート３の表面に撥水処理を施
すに際して、フッ素を含む化合物を予め繊維状の導電性
物質の塊、たとえばスチールウール１８に含浸付着さ
せ、それを真空槽１４内で加熱し、フッ素を含む化合物
を蒸着させてノズルプレート３の表面に５０〜３００Å
の膜厚になるように撥水層１０を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット記
録装置に用いるインクジェット記録ヘッド及びその製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、プリンタには、印字の高速化、カ
ラー化、低騒音化の要求が高まってきている。その中で
インクジェットプリンタは、ノンインパクト記録方式で
あるため記録時の静粛性が図られ、インク滴を飛翔させ
て用紙上に画像を形成するため高速記録が可能であり、
また、特別な定着処理なしに普通紙に記録できるために
用途分野が広範囲である。更に、三原色のインクを別々
に飛翔させることによりカラー化も容易である。このよ
うな機能的特徴によって、インクジェットプリンタは、
近年、家庭用、オフィス用コンピュータの出力用プリン
タとして広く利用されるようになってきた。

【０００３】インクジェット記録方式の印字機構は、大
別して、連続方式、及び、記録信号に応じてインクを飛
翔させるオンデマンド方式があり、現在オンデマンド方
式が主流である。

【０００４】オンデマンド方式は、例えば米国特許第３
４７４７１２０号明細書に開示されており、記録ヘッド
に付設されているピエゾ素子に、電気的な記録信号を付
加し、これをピエゾ素子の機械的振動に変え、この機械
的振動によってノズル孔からインク小滴を吐出させて記
録紙に付着させることで記録を行う。すなわち、記録信
号に対応したインク吐出を行うものである。オンデマン
ド方式は、連続方式のように吐出飛翔する小滴のうち、
画像の記録に要さなかった小滴を回収することが不要で
あるため、シンプルな構造が可能である。一方、記録ヘ
ッドの加工の困難さや、ピエゾ素子の小型化が極めて困
難でマルチノズル化が難しく、ピエゾ素子の機械振動と
いう機械的エネルギーで小滴の飛翔を行うので、高速記
録に向かない等の欠点を有する。

【０００５】更に、オンデマンド方式の他の例として、
インクを加熱してインク中にバブルを発生させ、その体
積変化でインクを飛翔させる、いわゆるバブルジェット
方式がある。例えば、米国特許第３１７９０４２号明細
書には、熱エネルギーを利用することが記載されてお
り、この方式は、機械的振動エネルギーを利用する方式
と比較してエネルギー変換効率が高く、マルチノズル化
が容易であるといった特徴がある。

【０００６】図４は、交流電流通電による高周波加熱で
インクを沸騰させインクを吐出するタイプの従来のイン
クジェット記録ヘッドの要部断面図である。

【０００７】図４において、１は導電性インク、２は導
電性インク１の噴射口である吐出口、３は吐出口２を複
数有するノズルプレート、４は基板、５ａ，５ｂは導電
性インク１に接するように配置された一対の対向電極、
６は絶縁部材、７は導電性インク１で満たされたインク
沸騰室、８は一対の電極５ａ，５ｂに電圧を印加する際
の駆動制御装置を示す。

【０００８】以上のように構成されたインクジェットプ
リンタについてその動作原理を以下に説明する。

【０００９】駆動制御装置８をＯＮにすることにより、
一対の対向電極５ａ，５ｂ間に高周波電圧がかけられ、
インク中に存在する電解質が振動運動を行いジュール熱
の発生と共にインクの沸騰に到る。このインクの沸騰に
より気泡が発生し、体積が急激に膨張してインク液滴を
吐出口２から押し出す。押し出されたインク液滴は記録
用紙９に飛翔して１ドットの印字を形成する。基材４上
には複数のインク滴を吐出することが可能となるように
対向電極５ａ，５ｂ、吐出口２、インク沸騰室７が複数
設けられ、駆動制御装置８により複数の吐出口２より選
択的にインク液滴が吐出され、記録用紙９に所望の文字
を形成することができる。この後、駆動制御装置８をＯ
ＦＦにすることにより、一対の対向電極５ａ，５ｂ間の
高周波電圧は除かれてインクは急激に冷却され、気泡は
消滅して初期の状態に戻る。

【００１０】このようなインクジェットプリンタで用い
るインクジェット記録ヘッドにおいて、インクが吐出す
るノズル表面の撥水性が不十分であるとインク液滴がノ
ズル表面に付着し易くなり、そのため吐出するインクの
直進性が損なわれ、印字乱れ等の記録不良となることが
ある。

【００１１】そこで、従来からインクが吐出する部分で
あるノズル表面に撥水処理を施すことが行われている。
一般に撥水処理の方法としては、湿式法、乾式法による
撥水層形成が用いられており、それぞれ以下のような方
法がある。

【００１２】１．溶剤可溶性のフッ素高分子溶液にディ
ッピングあるいは転写により塗布乾燥させる方法。

【００１３】２．含フッ素組成物を吹き付け塗装、焼き
付けする方法。３．ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素を含む物質
を蒸発源とするスパッタ法・蒸着法による撥水層形成、
その他プラズマ重合法等。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来技術による湿式法の撥水処理では、以下のような問
題点がある。

【００１５】まず、膜厚・膜質およびその分布の制御が
難しく、処理液がノズル孔を塞いだり、また、ノズルの
片面だけに処理を施す場合、マスク形成等の工程が必要
となり工程数が増える。また、溶液を用いるため、溶液
の回収・処理に大がかりな設備を必要とする。

【００１６】一方、乾式による撥水処理法であるスパッ
タ法では、スパッタすべき材料が限定される、得られる
撥水層の密着強度が弱いため、印字紙と擦れた際に層が
剥離し、耐久性の低いものしか得られない等の問題を有
していた。

【００１７】この対策として、例えば、特開平６−１４
３５８６号公報には含フッ素高分子を蒸着源とした蒸着
法が提案されている。同公報に提案された蒸着方法は、
フッ素を含む化合物を予め含浸させた多孔性の基体を真
空槽内で加熱し、この化合物を蒸発させてノズル表面に
撥水層を形成する。

【００１８】しかしながら、このような多孔性の基体に
フッ素化合物を含浸させ、加熱・蒸発させる方法では、
次のような問題点を有する。

【００１９】まず、真空槽内の加熱方法としては、不純
物の混入等を防止する目的から、電子銃加熱を用いるの
が好ましいが、多孔性の基体、例えばセラミックの表層
には、電子ビームをはじく性能を有するフッ素系化合物
が高密度に存在するため、低出力のビームでは全くセラ
ミックが加熱されず、一方、高出力のビームでは、セラ
ミックの成分の一部がフッ素系化合物と同時に蒸着され
てしまい、均一な撥水性が得られない。

【００２０】また、多孔性の基体、例えばセラミックに
フッ素系化合物を含浸・保持する量は、このセラミック
の空孔率及び空孔の大きさに大きく左右されるが、その
製造方法において空孔率及び空孔の大きさを均一に制御
することは極めて困難であり、その結果、使用するセラ
ミック毎にフッ素系化合物含有量がばらつき、均一な撥
水被膜を安定して形成できない。

【００２１】そこで、本発明は前記問題点を解決するも
のであり、その目的とするところは、ノズル表面に撥水
性かつ耐久性に優れた撥水層を均一に形成し、高い印字
品質を維持し得る手段を提供することを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、インクをノズルから吐出するプリンタに装
備するプリンタ用ノズルの表面に撥水処理を施すに際し
て、フッ素を含む化合物を予め繊維状の導電性物質の塊
に含浸付着させ、それを真空槽内で加熱し、該化合物を
蒸着させてノズル表面に５０〜３００Åの膜厚になるよ
うに撥水層を形成することによってなされる。

【００２３】また、インクが吐出するノズル表面の撥水
層の下に酸化シリコンの無機系被膜の下地膜を形成する
ことによってなされる。

【００２４】これにより、蒸着させるフッソ化合物の量
の管理が容易となり、ノズル表面に撥水特性かつ耐久性
に優れた撥水層を均一に形成することができ、ノズル表
面へのインクの付着を防ぎ、長期的に良好な印字品質を
維持し得るインクジェット記録ヘッドが得られる。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、インクジェット記録装置に用いるインクジェット記
録ヘッドであって、インクが吐出するノズル表面に５０
〜３００Åの膜厚の撥水層を形成したものであり、従来
のように、インクの吐出するノズル孔を塞いでしまう問
題もなく、インク吐出口のノズル表面がメニスカス面に
なるという作用を有する。

【００２６】請求項２、５に記載の発明は、インクジェ
ット記録装置に用いるインクジェット記録ヘッドであっ
て、インクが吐出するノズル表面の撥水層の下に少なく
とも一層の酸化シリコンの無機系被膜を形成したもので
あり、ノズル表面と撥水層の密着性が向上するという作
用を有する。

【００２７】請求項３、６、７に記載の発明は、インク
ジェット記録装置に用いるインクジェット記録ヘッドの
製造方法であって、インクジェット記録ヘッドのインク
が吐出するノズル表面に撥水処理を施すに際して、フッ
素を含む化合物を予め含浸付着させた繊維状の導電性物
質の塊、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム又は銅
又はカーボン、特にスチールウールを用い、これを真空
槽内で加熱してノズル表面に撥水層を形成する製造方法
であり、均一な膜質及び膜厚の層を形成するには有効な
方法である。さらに、繊維状の導電性物質の塊に含浸さ
せる化合物の量を一定にしておくことによって、常に一
定の膜厚を得ることができるという作用を有する。

【００２８】以下、本発明の一実施の形態について図面
を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施の形態
におけるインクジェット記録ヘッドの要部断面図であ
る。図１において、１は導電性インク、２は導電性イン
ク１の噴射口である吐出口、３は吐出口２を複数有する
ノズルプレート、４は基板、５ａ，５ｂは同一の形状を
有し、導電性インク１に接するように配置された一対の
対向電極、６は基板４と対向電極５ａ，５ｂ間に設けら
れた絶縁部材、７はノズルプレート３と基板４及び絶縁
部材６によって構成されたインク沸騰室、８は対向電極
５ａ，５ｂに電圧を印加する駆動制御装置、９は印字が
行われる記録用紙である。また、１０はフッ素化合物か
らなる撥水層、１１は撥水層１０の下に設けられた下地
膜をそれぞれ示す。

【００２９】図２は、複数の吐出口が同一基板上に形成
されたインク吐出装置の要部拡大斜視図である。２は吐
出口、３は複数の吐出口２が形成されたノズルプレー
ト、５ａ及び５ｂは一対の対向電極、７はインク沸騰室
である。

【００３０】まず、吐出口２からインク液滴を噴射する
動作について説明する。図１及び図２に示すように、導
電性インク１が充満したインク沸騰室７内部において、
基板４に設けられた一対の対向電極５ａ，５ｂに、駆動
制御装置８から電圧（本例では１０〜３０Ｖ）が印加さ
れると、ある抵抗率（本例では２０〜５０Ω・ｃｍ）を
有する導電性インク１を介して、対向電極５ａ，５ｂ間
に電気力線が発生する。この電気力線に沿って電流が流
れ、Ｉ² ×Ｒ（Ｉ：電流値、Ｒ：導電性インク１の抵抗
値）で表される電流のジュール損失によって、電気力線
の電流集中部における導電性インク１が自己発熱して１
０〜２０μｓ後についには沸騰が始まり、バブル１２が
発生する。発生したバブル１２が膨張することによっ
て、インク沸騰室７内の導電性インク１の圧力が急激に
高まり、この圧力を解放しようとする力によって導電性
インク１は、吐出口２からインク液滴１３となって噴射
され、記録用紙９に付着してドットを形成する。実際に
は駆動制御装置８により複数の吐出口２より選択的にイ
ンク液滴１３が吐出され、記録用紙９に所望の文字を形
成できるようにしている。

【００３１】本発明の一実施の形態においては、撥水処
理はノズルプレート３と基板４を貼り合わせる前に行
い、ノズルプレート３の材料としては、ポリイミド、ア
クリル、ポリエチレンテレフタレートシート等のポリマ
ーを用いた。

【００３２】次いで、ノズルプレート３に撥水層１０を
形成する処理手順を述べる。図３（ａ），（ｂ）は本発
明の一実施の形態による製造方法で用いた蒸着装置の模
式図である。１４は真空槽、１５は電子ビーム銃、１６
は蒸着源となるタブレットを設置する円盤状のタブレッ
ト設置ハースである。蒸着すべき材料のタブレットはそ
れぞれタブレット設置ハース１６の円周に沿って設置さ
れる。蒸着すべき材料のタブレット設置ハース１６は、
電子ビームが照射される位置に回転移動される機構にな
っている。１７は遮蔽板であり、電子ビームの照射位置
が開口している。１８は撥水層の蒸着源となるフッ素含
有シリコン化合物（（株）オプトロン製、商品名“ＯＦ
−１１０”）を予め含浸させた繊維状の導電性物質の塊
としてのスチールウール、１９は酸化ケイ素のタブレッ
トである。被処理基板であるノズルプレート３は、イン
クが吐出する面が蒸着源に向くようにセットした。

【００３３】図３（ａ）に示すような日電アネルバ製Ｅ
ＶＣ−５００Ａ蒸着装置を用い、排気装置（図示せず）
を用いて真空槽１４内を排気口２０より１０^-5Ｔｏｒｒ
以下まで排気し、所定の真空度に到達したら、その後、
処理工程に移る。まず、予め真空槽１４内にセットして
おいた酸化ケイ素のタブレット１９を、電子ビームの照
射位置に移動させ、電子ビーム銃１５から電子ビームを
照射して、加熱・蒸着させ、ノズルプレート３の表面に
酸化ケイ素薄膜を５００〜２０００Å程度形成する。

【００３４】次に、図３（ｂ）に示すように、フッ素含
有シリコン化合物を予め含浸させたスチールウール１８
の入ったハースを電子ビームの照射位置に移動させ、電
子ビームを照射して、フッ素含有シリコン化合物だけを
酸化ケイ素薄膜が形成されたノズルプレート３上に５０
〜３００Å程度の膜厚になるように形成する。ここで、
撥水層１０の厚みが５０Å未満になると撥水効果が不十
分になり、３００Åより厚くなると吐出口内壁の一部が
撥水性をもつことになり、インクのメニスカス面がノズ
ル表面より下がった位置になる。これによって、インク
を吐出するための余分なエネルギーが必要となり、結果
的には印字品質が悪化する。

【００３５】ここで、本発明の発一実施の形態では繊維
状の導電性物質の塊として、スチールウール１８を用い
たが、導電性を有し、かつ撥水層形成物質を付着保持で
きる物であれば、特にその材料は限定されないが、比較
的安価で加工がしやすく、かつ耐熱性、熱伝導性の高
い、鉄、ステンレス、アルミニウム、またはカーボンを
用いるのが望ましい。特に市販のスチールウールは安価
で取り扱いも容易であり好適であるため、好適に使用可
能である。また、繊維状であれば、その形状、線径も特
に限定されるものではなく、加工条件、使用目的に応じ
て選択できるものであるが、熱伝導性、撥水層形成物質
の付着保持性から、線径が０．０２５〜０．０５ｍｍの
ものが望ましい。

【００３６】また、本発明の一実施の形態ではフッ素含
有シリコン化合物である商品名“ＯＦ−１１０”を用い
たが、撥水層形成物質としては、撥水性の機能を付与し
得るものであれば特に限定されない。好ましいものとし
ては、特開昭６２−１７８９０３号公報に記載されてい
る、ジメチルジエトキシシラン、ジメトキシメチール−
３、３、３−トリフルオロプロピルシラン、３、３、３
−トリフルオロプロピルシラン等のアルコキシシラン化
合物、特開昭６２−２９６００２号公報に記載されてい
る、以下に例示するような、３、３、３−トリフルオロ
プロピルトリアミノシラン、２−（パーフルオロプロピ
ル）エチルトリアミノシラン、２−（パーフルオロブチ
ル）エチルトリアミノシラン、２−（パーフルオロヘキ
シル）エチルトリアミノシラン、２−（パーフルオロオ
クチル）エチルトリアミノシラン等のフッ素含有アミノ
シラン化合物である。上記の化合物は、単独ではもちろ
んのこと、２種以上を混合して用いることもできる。

【００３７】また、本発明の一実施の形態では撥水層１
０の形成に先だって下地膜として酸化ケイ素薄膜を形成
した。その理由として、ノズルプレート３の材料である
ポリイミド、アクリル、ポリエチレンテレフタレート等
のポリマーとフッ素含有シリコン化合物は密着力が弱
く、下地膜として酸化ケイ素薄膜を形成することによ
り、ポリマーとフッ素含有シリコン化合物のＳｉとが、
Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの共有結合を形成し、撥水層の強い密着
性が得られる。

【００３８】ここで、本発明の一実施の形態で得られた
撥水層１０付きのインクジェットヘッドノズル表面と従
来例のノズル表面について、以下の方法で撥水性、膜密
着性及び耐磨耗性を評価し、比較を行った。（１）撥水性：協和化学（株）製接触角計（ＣＡ−Ｓ
１５０）を用いて蒸留水による液滴法で測定した接触角
をもって評価した。（２）膜密着性：粘度２ｃｐ（２５°Ｃ）、表面張力５
０ｄｙｎ／ｃｍのインク中で超音波洗浄３０分後の蒸留
水による接触角測定で評価した。（３）耐磨耗性：ａ）磨耗試験機ＵＭＧＳ−７を用い
て、摺動速度３０００ｍｍ／分、ラバー硬度４０°及び
８０°で摺動回数３００００回後の蒸留水による接触角
及び傷、汚れ等の表面状態で評価した。

【００３９】ｂ）撥水層表面を布で１ｋｇの荷重にて５
００回磨耗試験後、傷、汚れ等の表面状態を観察した。

【００４０】判定基準を以下に示す。 ○：無傷である。

【００４１】 △：１〜１０本の細かい傷がつく。 ×：無数の傷がつく。もしくは撥水層が剥離する。

【００４２】評価結果は、（表１）に示す通り本実施の
形態のものは、従来例と比較して、十分な撥水性を示す
接触角となっており、耐磨耗試験後も若干の接触角低下
が見られたものの実用レベルでは問題ない撥水効果を維
持している。

【００４３】

【表１】

【００４４】

【発明の効果】以上の本発明の一実施の形態の説明から
明らかなように、本発明によれば、インクジェット記録
ヘッドのノズル表面の撥水処理に際して、繊維状の導電
性物質の塊に、撥水層形成物質を含浸させたものを、該
撥水層形成物質の蒸着源とし、真空槽内で蒸発させて撥
水層を形成するため、大面積に膜厚・膜質の均一な処理
が可能であり、しかも、一度に大量のインクジェット記
録ヘッド用ノズル表面を処理することができる。

【００４５】また、マスクを設けることなく、インクが
吐出するノズル表面のみに容易に撥水層を形成すること
が可能であり、インク吐出ノズルの撥水層による孔づま
りを回避することができる。

【００４６】さらに、繊維状の導電性物質の塊に、撥水
層形成物質を含浸させたものを蒸着源としているので、
真空蒸着装置で最も一般的に用いられている電子銃を加
熱源とした場合に、従来の多孔性の基体では困難であっ
た、低出力でかつ安定的に有効成分のみを高純度に蒸発
させることが容易に実現でき、極めて安価なランニング
コストで高品質の撥水層が形成可能になる。

【００４７】これによって、オリフィス近傍へのインク
の付着を防ぎ、長期的に良好な印字品質を維持し得るイ
ンクジェット記録ヘッドが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態におけるインクジェット
記録ヘッドの要部断面図

【図２】インク吐出装置の要部拡大斜視図

【図３】本発明の一実施の形態による製造方法で用いた
蒸着装置の模式図

【図４】従来のインクジェット記録ヘッドの要部断面図

【符号の説明】

１導電性インク２吐出口３ノズルプレート４基板５ａ，５ｂ対向電極６絶縁部材７インク沸騰室８駆動制御装置９記録用紙１０撥水層１１下地膜１２バブル１３インク液滴１４真空槽１５電子ビーム銃１６タブレット設置ハース１７遮蔽板１８スチールウール１９酸化ケイ素のタブレット２０排気口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インクジェット記録装置に用いるインクジ
ェット記録ヘッドであって、インクが吐出するノズル表
面に５０〜３００Åの膜厚の撥水層が形成されているこ
とを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項２】前記撥水層の下に、少なくとも一層の下地
膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載のイ
ンクジェット記録ヘッド。
【請求項３】インクジェット記録装置に用いるインクジ
ェット記録ヘッドの製造方法であって、前記インクジェ
ット記録ヘッドのインクが吐出するノズル表面に撥水処
理を施すに際して、フッ素を含む化合物を予め繊維状の
導電性物質の塊に含浸付着させ、それを真空槽内で加熱
し、該化合物を蒸発させてノズル表面に撥水層を形成す
ることを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方
法。
【請求項４】インクを小滴吐出、飛翔させるための吐出
エネルギー発生手段は、一対の電極間に交流電圧を印加
して電極に直接あるいは間接的に接するインクを沸騰さ
せる通電方式を用いた請求項１及び２に記載のインクジ
ェット記録ヘッド。
【請求項５】前記撥水層下に形成された下地膜が酸化シ
リコンの無機系被膜であることを特徴とする請求項２記
載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項６】前記導電性物質が、鉄、ステンレス、アル
ミニウム、銅又はカーボンのいずれかであることを特徴
とする請求項３記載のインクジェット記録ヘッドの製造
方法。
【請求項７】前記導電性物質が、スチールウールである
ことを特徴とする請求項３記載のインクジェット記録ヘ
ッドの製造方法。